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绪 论

绪 论. 计算机 发展 简史 1. 早期的计算工具 东方的创造：算筹、算盘 西方的灵感：机械式计算工具 机械 - 电动式计算机. 1642 法 帕斯卡 机械加法器 Pascaline 1670 德 莱布尼兹 改进 Pascaline ，加入乘法、除法和平方根运算，并 提出二进制计算德概念，使高速自动运算成为可能 1822 英 巴贝奇 设计差分机 利用机器编制数表 1834 完成分析机设计方案，可以做数值运算和逻辑运算

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  1. 绪 论

  2. 计算机发展简史 1.早期的计算工具 东方的创造：算筹、算盘 西方的灵感：机械式计算工具 机械-电动式计算机

  3. 1642 法 帕斯卡 机械加法器Pascaline 1670 德 莱布尼兹 改进Pascaline，加入乘法、除法和平方根运算，并 提出二进制计算德概念，使高速自动运算成为可能 1822 英 巴贝奇 设计差分机 利用机器编制数表 1834 完成分析机设计方案，可以做数值运算和逻辑运算 1888 美 霍勒瑞斯 机电式穿孔卡系统－制表机，将机械设计原理与信 息自动比较和分析方法结合起来的统计分析机 1896 创办制表机公司，1911年组建计算机制表记录公司，1924年改为国际商用机器公司，IBM 1938 德 朱斯 第一台二进制计算机 Z-1，Z-3第一台通用程序控制的机电计算机 1944 美 艾肯 通用型机电计算机MARK-I,1947年 MARK-II

  4. 计算机发展简史 2.电子计算机的诞生 1946年2月,美国宾夕法尼亚大学物理学家莫克利和电气工程师埃克特研制成功了世界上第一台通用电子数字计算机(ENIAC)。

  5. ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Calculator) 电子数值积分计算机 电子管:18800只 电阻:70000个 电容:10000只 继电器:1500个 耗电:140kW/h 占地:170m2 重量:30吨 速度:5000次/秒

  6. 计算机发展简史 3、存贮程序式计算机 —冯·诺依曼机 （EDSAC Electronic Delay Storage Automatic Calculator) 美籍匈牙利人冯·偌依曼（John Von Neumann）教授于1946年6月提出了“存贮程序”的设想： 将组成解题程序的一条条指令，象数据一样采用二进制编码方式事先存入计算机中，运行时只须顺序取出这些指令，经译码后执行相应的操作即可。从而可以实现真正的全自动运算。 1949.5 第一台EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer离散变量自动电子计算机) 诞生在英国剑桥大学。

  7. ①1946年6月发表“电子计算机装置逻辑结构初探”论文①1946年6月发表“电子计算机装置逻辑结构初探”论文 ②采用电子元件的计算机应使用二进制 ③程序应保存在存储器中(存储程序) ④EDVAC(离散变量自动电子计算机) 冯·诺依曼(Von Neumann)与计算机结构理论 图灵(Turing)与现代计算机的设计思想 ①1936年提出“理想计算机”，论文题目是论可计算数及其在判定问题的应用 ②加、减和比较运算能完成许多数学计算 ③通用图灵机是现代通用数字计算机的数学模型，它把程序和数据都以数码形式存储，属“存储程序”型计算机

  8. 计算机发展简史 4、电子计算机的发展阶段

  9. 计算机发展简史 5.计算机的发展趋势 ⑴巨型化(功能巨型化) 巨型化是指具有高速运算、大存储容量和功能强大的巨型计算机系统,百亿次每秒。如ILLIAC-IV、银河机。 ⑵微型化(体积微型化) 包括台式微机、笔记本电脑、掌上电脑。 ⑶网络化(资源网络化) 网络化是指利用通信技术和计算机技术，把分散在不同地点的计算机互联起来，按照网络协议相互通信，以使所有用户

  10. 均可共享软件、硬件和数据资源的目的。如，Internet。均可共享软件、硬件和数据资源的目的。如，Internet。 ⑷智能化(处理智能化) 智能化就是要求计算机能模拟人的感觉和思维能力。如专家系统和智能机器人，“深蓝”战胜卡斯帕罗夫。 6.未来第五代计算机的展望（基本元件创新） ⑴神经网络计算机：神经元 ⑵生物计算机：生物芯片 ⑶光子计算机：光子代替电子 ⑷超导计算机：超导元件和电路组成

  11. 计算机发展简史 7、微型计算机的发展阶段（属第四代计算机） 由集成电路构成的中央处理器，称作微处理器。 • 第一代微型机(1971年,4位)，Intel 4004 • 第二代微型机(1972--1977年,8位, 6m)，Intel 8080, Motorola 6800, Zilog 80 • 第三代微型机(1978--1983年,16位, 4m)，Intel 8086/80286, M68000,Z8000 • 第四代微型机(1984--,32位, 2m)，Intel 80386/80486, M68020, HP-32, MAC-32 • 第五代微型机(1993--现在,64位)， Pentium

  12. 第1章计算机基础知识

  13. 1.1 计算机概述 1.1.1 什么是计算机 计算机是一种能对各种信息进行存储和高速处理的工具或电子机器。提高人类脑力劳动的效能 对上述定义要强调两点： ①计算机不仅是一个计算工具，而且还是一个信息处理机。 ②计算机不同于其它任何机器，它能存储程序，并按程序的引导自动存取和处理数据。

  14. 1.1.2 计算机的分类 1.按处理对象分类 (1)数字：处理非连续变化的数据，输入、存储、处理和输出的数据均为数字量。运算精度高、存储量大、通用性强。 (2)模拟：连续变化的数据，基本部件为运算放大器构成的微分器、积分器、通用函数运算器等运算电路组成。速度快，精度不高，通用性差，用于解微分方程霍自控系统设计中的参数模拟。 (3)混和信号的处理：结构复杂，设计困难。 2.按计算机用途分类 ⑴通用计算机：它是为了能解决多种类型问题，具有较强的通用性而设计的计算机 ⑵专用计算机：它是为了解决一个特定的问题而专门设计的计算机。

  15. 3.按计算机性能分类 ⑴巨型机(Giant Computer) 速度达万亿次每秒，用于复杂的科学计算及军事等专用领域。 ⑵大型机(Large-Scale Computer) 它是指运算速度在每秒100万次～几千万次的计算机,如IBM,DEC,日立等都是大型机厂商。 ⑶中型机(Medium-Scale Computer) ⑷小型机(Minicomputer) DEC PDP-11, VAX-II, DJS-130 ⑸微型机(Microcomputer) IBM PC/XT/AT,386,486,Pentium

  16. 深超-21C • 峰值速度达 15000亿次/秒 (1.5TeraFlops)。根据国际上标准测试程序LINPACK测试值为830.1Gflops • 采用集群式的超级计算机结构 • 由128个计算节点组成，每个计算节点为双CPU的SMP服务器 • 节点之间用三种互联网络互相连接 • 支持LINUX和WINDOWSNT操作系统

  17. 1.1.3 计算机的特点 • 运算速度快 • 计算精度高 取决与机器字长 • 存储功能强 便于存储检索 • 具有逻辑判断能力 • 具有自动运行能力 完成枯燥乏味的重复性劳动

  18. 1.1.4 计算机的应用领域 科学计算 —数学计算 如火箭运行轨迹、地质勘探、计算机 仿真 数据处理 —如对信息进行收集、存储、整理、查询和传播 过程检测与控制 —实时采集检测数据，按最优方案对 生产过程进行自动控制 计算机辅助设计及辅助教学 —CAD、CAM、CAI 人工智能 —机器人和专家系统 网络功能 —计算机之间的通信、资源共享，广泛应用

  19. 1.2 计算机运算基础 1.2.1 数制及其转换 ☻ 什么是进位计数制： ⑴非进位计数制 其特点是：表示数值大小的数码与它在数中的位置无关。典型的非进位计数制是罗马数字，例如,罗马数字中:Ⅰ,Ⅱ,┄,Ⅹ ⑵进位计数制 其特点是：表示数值大小的数码与它在数中的位置有关。例如，十进制数 123.45 ⑶定义:用一组固定的数字和一套统一的规则来表示数的方法称为数制。按照进位方式计数的数制叫做进位计数制。

  20. ☻任何进位计数制的要素： ①基数：它是指各种进位计数制中允许选用基本数码的个数。例，如十进制的数码有：0,1,2,3,4,5,6,7,8,9则十进制的基数为10。 ②位权值：每个数码所表示的数值等于该数码乘以一个与数码所在位置相关的常数，这个常数叫做权值，也称为该位的位权。例如：123.4 = 1×102+2×101+3×100+4×10-1 ③进制：N进制必须是逢N进一。

  21. 例题：（进制与权） ⑴十进制数的特点是逢十进一： (1010)10＝1×103＋0×102＋1×101＋0×100 ⑵二进制数的特点是逢二进一: (1010)2＝1×23＋0×22＋1×21＋0×20＝(10)10 ⑶八进制数的特点是逢八进一: (1010)8＝1×83＋0×82＋1×81＋0×80＝(520)10 ⑷十六进制数的特点是逢十六进一: (BAD)16＝11×162＋10×161＋13×160＝(2989)10

  22. ☻ 几种常用数制

  23. ☻为什么要用八进制和十六进制？ • 八进制和十六进制是为了弥补二进制数字长过长而出现在计算机中的，它们主要用来描述存储单元的地址

  24. ☻ 各种常用数制的对应关系

  25. 总结：（数制的基本概念） • 对于N进制数，整数部分第i位的位权为 Ni-1 • 对于N进制数，小数部分第j位的位权为 N-j 位权 基数

  26. ☻ 不同进制数之间的相互转换 1.二进制与十进制数的互换 ① 二进制 —> 十进制 • ▲方法：按权展开求和 例如： • (101.1)2=1×22+0×21+1×20+1×2-1=(5.5)10 • (或：101.1B=1×22+0×21+1×20+1×2-1=5.5D) ② 十进制 －> 二进制 ▲方法: 整数部分采用除2取余法 小数部分采用乘2取整法 • (215.6875)10=(?)2

  27. 练习一： (110001011)2=(?)10 (1011000100)2=(?)10

  28. (1050.2625)10=(?)2 (357.113)10=(?)2 练习二：

  29. 2.二进制与八进制数的互换 ① 二进制 —> 八进制 • ▲方法：三位并一位 以小数点为起点向左右两端，每三位一组，不足三位的分别在两端补0，每组二进制数合并为一位八进制数。 (1011100.00101011)2=(?)8 (001,011,100.001,010,110)2 = (134.126)8 或 = (134.126)o (1 3 4 . 1 2 6)o ② 八进制 －> 二进制 ▲方法: 一位拆三位 • (123.56)8 = (?)2 • (1 2 3 . 5 6)8 • (001,010,011.101,110)2= (1010011.10111)2

  30. 3.二进制与十六进制数的互换 ① 二进制 —> 十六进制 • ▲方法：四位并一位 以小数点为起点向左右两端，每四位一组，不足四位的分别在两端补0，每组二进制数合并为一位十六进制数。 (1011100.00101011)2=(?)16 5 C . 2 B (0101,1100.0010,1011)2 = (5C.2B)16 = (5C.2B)H ② 十六进制 －> 二进制 ▲方法: 一位拆四位 • (1A2.DC)16=(?)2 • (1 A 2 . D C )16 • (0001,1010,0010.1101,1100)2= 110100010.110111)2

  31. (11110001010110)2 =(?)8 (3BF6.A1)16 =(?)2 练习三：

  32. (11110001010110)2 =(?)16 (3746.21)8 =(?)2 练习四：

  33. 使用特定的后缀字母，可以表示不同的数制：十进制数D:512D或512 二进制数B:1011B八进制数Q:127Q 十六进制数H:A8H 4.计算机采用二进制的原因 • 计算机采用的是二进制——它只有0和1两个数字符号,　 运算规则是：逢2进1 在物理上很容易实现： 电路的导通或截止 磁性材料的正极或反极 在逻辑上容易判断： “真”与“假”，“有”与“无” • 二进制的特点——电路简单，可靠性高，运算简便，逻 辑性强

  34. 1 1 1 1 1 0 0 0 5.二进制数的算术运算： 加法： 0 0 1 1 +） 0 +） 1 +） 0 +）1 0 1 1 10 1 1 0 1 1 0 1 1 1

  35. 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 减法： 0 1 1 0 -） 0 -） 1 -） 0 - ） 1 0 0 1 11 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0 1

  36. 乘法： 0 0 1 1 ×）0 ×） 1 ×）0 ×） 1 0 0 0 1 被乘数1 1 1 0 乘数1 1 0 1 ──────── 1 1 1 0 部分积0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 即： 拷贝、移位、 加法 ──────── 乘积 1 0 1 1 0 1 1 0

  37. 除法： 0 ÷ 1 = 0 1 ÷ 1 = 1 1 1 0 除数 -----1 1 0 1 0 0 1 1 0 ------ 被除数 -) 1 1 0 ─────── 0 1 1 1 -) 1 1 0 ─────── 0 0 1 0 --------- 余数

  38. 1.2.2 数据的存储单位 1.位(bit) 位是计算机存储信息的最小单位，表示一位二进制数据，“1”或“0”两种状态。 2.字节(Byte) 字节是信息处理的基本单位，一个字节由八位二进制数组成，即1Byte=8bit。 计算机存储器容量大小是以字节数来度量的，所以字节也常被成为存储单位，常用的单位有KB、MB、GB和TB。

  39. 2.字节(Byte) 1KB=1024B＝210B(千字节) 1MB=1024×1024B=220B(兆字节) 1GB=1024×1024×1024B=230B(吉字节) 1TB=1024×1024×1024×1024B＝240B(太字节) 3.字(Word) 字是CPU通过数据总线一次存取、加工和传送数据的长度。一个字通常由一个或若干个字节组成，字长越长，计算机的性能越强。 常用的字长有8位、16位、32位、64位、128位。

  40. 1.2.3 计算机中数的表示 1.机器数与真值 • 在计算机中，数值型数据是用二进制数来表示的。数值型数据有正、负之分，通常人们在数字前面冠以“+”或“-”符号来表示数的正负，而在计算机内部“+”号和“-”号也需要数码化，用一位二进制表示。 一般规定：用“0”表示“+”号，用“1”表示“-”号。因此，数值型数据的最高位用来表示数值的正负，这一位称为符号位。在计算机内部数字和正负号都用二进制数码表示，两者结合在一起构成数值型数据的机内表示形式。 • 把这种连同数字和符号组合在一起的二进制数称为机器数，由机器数所表示的实际值称为真值。

  41. 1.2.3 计算机中数的表示 • 例如： (+45)10 ＝(+101101)2＝ (00101101)机器数； (-45)10＝ (-101101)2＝ (10101101)机器数； 在计算机中，机器数可以用不同的码制来表示。常用的码制有：原码表示法、反码表示法和补码表示法。下面以整数为例介绍原码、反码和补码。

  42. 1.2.3 计算机中数的表示 2.原码、反码和补码 ⑴原码 • 原码：用符号位和数值位两部分表示一个带符号数，设字长为n位，最高位为符号位，正数的符号位用0表示，负数的符号位用1表示，其余n-1位数值部分用二进制形式表示。数X的原码记为[X]原。 • 例如:若机器字长为8位，(+1011101)2 ,(-1011101)2 的原码分别为: 01011101 11011101。 • 原码表示法对加、减法来说运算比较复杂，不能用它直接对两个同号数相减或两个异号数相加。 • 为计算机中方便进行加减法而引入反码和补码。

  43. 1.2.3 计算机中数的表示 ⑵反码 • 反码：正数的反码与原码相同;负数的反码是对该数的原码除符号位外各位取反，即0变1，1变0。数X的反码记为[X]反。 • 例如:若机器字长为8位，+1011101 -1011101 的原码分别为:(01011101)原(11011101)原 其反码分别为 (01011101)反(10100010)反。 • 零的反码表示有两种，即： [+0]反 ＝00000000 [-0]反 ＝11111111 • 可以验证，任何一个数的反码的反码即是原码本身。通常反码作为求补过程的中间形式。

  44. 1.2.3 计算机中数的表示 ⑶补码 • 补码：正数的补码与原码相同，负数的补码是对该数的原码除符号位外各位取反，最末位加1，即求反加1。数X的补码记为[X]补。 • 例: 若机器字长为8位， +1011101 ， -1011101 的原码分别为:(01011101) (11011101) 其补码分别为 （01011101）补 （10100011）补 • 零的补码表示是惟一的，即： [+0]补＝00000000 [-0]补＝00000000

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